Mô-đun năng lượng mặt trời khổ lớn và các giả định kế thừa
Mặc dù hầu hết các mô-đun định dạng lớn đều được kiểm tra trong phòng thí nghiệm để lấy chứng chỉ nhưng phòng thí nghiệm không phải là thế giới thực. Tải trường áp dụng cho mô-đun năng lượng mặt trời phụ thuộc vào cấu trúc mà nó được gắn và địa hình của dự án.
Hình ảnh: NREL
Tại hội nghị RE+ 2023 ở Las Vegas, các nhà cung cấp trên toàn cầu đã trưng bày các mô-đun năng lượng mặt trời hai mặt lớn nhất, mỏng nhất, lớn nhất của họ, thể hiện những thành tựu về hiệu quả chi phí quang điện. Tự hào về công suất từng không thể tưởng tượng được, công cụ giảm chi phí của năng lượng mặt trời đã tiến về phía trước.
Đối với những người trong chúng ta, những người đã thiết kế một mô-đun năng lượng mặt trời và thực hiện thử nghiệm tải cơ học, có một chi tiết khiến chúng ta nhức đầu và cần phải khám phá thêm. Những mô-đun lớn này được trang bị một số khung mô-đun nhỏ nhất từng thấy.
Mô-đun 2 x 1 mét phổ biến trước đây với chiều cao khung 50 mm hiện có diện tích bề mặt lớn hơn khoảng 55% với chiều cao khung thấp tới 30 mm. Làm thế nào điều này có thể thực hiện được khi xếp hạng tải trọng cơ học không đổi và chiều cao của dầm có tầm quan trọng tối đa đối với độ bền của nó? Những nguyên lý vật lý đó đúng với những cây cầu, tòa nhà và thậm chí cả khung của mô-đun năng lượng mặt trời. Tải trọng gió và tuyết tăng tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt tăng lên, nhưng các khung mô-đun mới nhất, dài nhất từ trước đến nay có chiều cao giảm ~40%, làm giảm nghiêm trọng khả năng chịu tải của nó.
Các mô-đun được kiểm tra theo nhiều bài kiểm tra tải cơ học tiêu chuẩn khác nhau để được chứng nhận. Các thử nghiệm này tác dụng tải lên mặt trước và mặt sau của mô-đun để đánh giá chúng có chịu được các điều kiện môi trường thực tế hay không. Các tiêu chuẩn công nghiệp hiện hành (UL 61730-2, IEC 61730, IEC 61215-2) nhìn chung đều thống nhất về quy trình thử nghiệm tải cơ học. Nhiều mô-đun trên sàn hội nghị quảng cáo việc tuân thủ các tiêu chuẩn này và các phòng thử nghiệm đầu ngành thực hiện các thử nghiệm chứng nhận này với sự cẩn trọng và siêng năng tối đa.
Mặc dù các mô-đun khổ lớn đáp ứng các tiêu chuẩn này trong phòng thí nghiệm nhưng phòng thí nghiệm không phải là thế giới thực. Tải trường áp dụng cho mô-đun năng lượng mặt trời phụ thuộc vào cấu trúc mà nó được gắn và địa hình của dự án. Vùng gió càng lớn thì tải trọng trên mô-đun càng lớn.
Ít rõ ràng hơn là góc nghiêng lớn hơn thường làm tăng tải trọng gió lên các mô-đun và điều này thay đổi tùy theo vị trí trong toàn bộ dãy. Hãy hình dung một con tàu với cánh buồm được nâng lên và hạ xuống trong cơn bão. Bên nào có nhiều lực hơn để phóng tàu của mình về phía trước?
Tuyết thường có thể có tác dụng ngược lại. Các tấm có góc nghiêng cao hơn thường sẽ đổ nhiều tuyết hơn các tấm có độ nghiêng thấp hơn và do đó thuận lợi hơn cho việc tải mô-đun từ tuyết. Bất kỳ mái nhà nào ở vĩ độ phía Bắc sẽ xuất hiện hiện tượng này. Các nhà thiết kế dự án phải kiểm tra cẩn thận xem các mô-đun đã chọn có hoạt động với cấu trúc lắp đặt ở mọi vị trí trên địa điểm dự án hay không.
Do đó, để hiểu được lỗ hổng kỹ thuật hiện tại, sự kết hợp giữa thiết kế khung mô-đun khổ lớn và thiết kế cấu trúc của hệ thống giá đỡ là điều quan trọng. Vì tải mô-đun phụ thuộc vào cấu trúc hỗ trợ (ví dụ: góc nghiêng, giữa một số biến), các nhà cung cấp cấu trúc thường chỉ định tải mô-đun dự kiến trong thiết kế dự án. Nhiều nhà cung cấp kết cấu rất giỏi trong việc xác nhận rằng bản thân mô-đun nằm trong xếp hạng chứng nhận. Tuy nhiên, có thể một số nhà cung cấp vẫn thiếu tải mô-đun gió cao điểm?
Hình ảnh: Azimuth mạo hiểm
Một dự án nghiên cứu do SETO tài trợ đang được thực hiện thông qua liên doanh giữa Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và UC Berkeley đã xác định rằng các nhà cung cấp cần xem xét các diện tích gió hiệu quả nhỏ hơn so với các nhịp giữa các nền móng (không phải những gì được thể hiện trong Hình 1 A) khi ước tính tải mô-đun riêng lẻ. Mô-đun quang điện có thể bị hỏng nếu các khu vực quy định nhỏ bằng 1/4 mô-đun bị quá tải (tải mức dây buộc riêng lẻ – D trong Hình 1) và điều này có thể xảy ra ở các điều kiện thiết kế dự án tối đa đối với nhiều dự án được lắp đặt hiện nay. Mặc dù việc đánh giá thường được thực hiện xoay quanh tải trọng thiết kế tối đa, nhóm nghiên cứu do SETO tài trợ hiện đang khám phá xem tải trọng theo chu kỳ thấp hơn, không đồng đều có thể dẫn đến hư hỏng cấu trúc như thế nào.
Nếu tải trọng gió của mô-đun ở mức đỉnh thấp đã được thực hiện phổ biến trong thiết kế dự án trong 15 năm qua, thì lỗi mô-đun sẽ tràn lan, phải không? Trong thực tế, các khung mô-đun cũ hơn đã thực hiện hai nhiệm vụ che giấu sự giám sát này. Một số khung mô-đun đó được thiết kế với hệ số an toàn là 3. Ngày nay, các mô-đun khổ lớn dường như được thiết kế theo hệ số an toàn là 1,5 dựa trên đánh giá của một số bảng dữ liệu của nhà sản xuất mô-đun và tiêu chuẩn ngành. Điều này cho phép các mô-đun có khả năng cạnh tranh trong quá trình giảm chi phí.
Khi phòng thí nghiệm chứng nhận kiểm tra một mô-đun với tải trọng thực tế ở mặt sau là 2.400 Pa, áp suất thiết kế tối đa được chứng nhận là 1.600 Pa. Điều quan trọng là phải kiểm tra xem xếp hạng mô-đun được quảng cáo có phù hợp không.
tại đã được thử nghiệm (bao gồm cả hệ số an toàn) hoặc nếu đó là áp suất thiết kế tối đa cho phép (không có hệ số an toàn). Áp suất 1.600 Pa trên một mô-đun gần bằng với gió giật 72 dặm/giờ đối với hệ số áp suất mô-đun là 3. Nhóm nghiên cứu LBNL/UC Berkeley đã xác định rằng hệ số này có thể đạt được ở cuối hàng đối với mô-đun nghiêng trên 15 độ. Đây khó có thể là một thiết kế đủ cho bất kỳ dự án nào ở Hoa Kỳ dựa trên bản đồ gió ASCE 7-22 mới nhất. Nếu người thiết kế nhầm lẫn sử dụng 2.400Pa làm áp suất thiết kế, điều này sẽ làm tăng sức gió giật cho phép lên 88 mph. Vì vậy, điều quan trọng là phải hiểu xếp hạng mô-đun bao gồm những gì.
Dung tải
Thị trường đã đẩy khả năng tải mô-đun đến điểm đột phá. Điều này dường như đặc biệt xảy ra với trường hợp tải phía sau (nâng gió). Việc kết hợp các giả định kỹ thuật cũ, diện tích mô-đun lớn hơn, chiều cao khung mô-đun nhỏ hơn và xếp hạng không rõ ràng của nhà sản xuất sẽ tạo ra công thức dẫn đến lỗi. Mục tiêu không phải là đổ lỗi mà là để hiểu các vấn đề kỹ thuật hiện tại và đưa ra hướng dẫn về những gì các bên liên quan có thể làm.
Dưới đây là những cách hữu hình mà các nhà phát triển, nhà tài trợ, công ty bảo hiểm, chủ sở hữu, nhà quản lý tài sản, nhà sản xuất kết cấu và nhà sản xuất mô-đun có thể quản lý những rủi ro này:
1. Đảm bảo phân bổ đủ ngân sách và thời gian cho kỹ sư độc lập (IE) cho mỗi dự án (đặc biệt là các dự án nhỏ hơn) để có thể kiểm tra các chi tiết chính về tải mô-đun không chỉ trên mỗi dự án mà còn ở mọi vị trí trong dự án (ví dụ: các hàng, góc bên ngoài , ốc vít).
2. Sự thẩm định kỹ lưỡng của nhà sản xuất kết cấu phải xác nhận rằng:
Tải kẹp và bu lông để giữ mô-đun sử dụng “tải kẹp mô-đun” (D trong Hình 1) thay vì các diện tích hàng trung bình (A trong Hình 1) hoặc thậm chí các khu vực cấp mô-đun (B trong Hình 1). Xem hệ số thử nghiệm trong hầm gió để biết thêm chi tiết.
Tải mô-đun không nên được giả định là giống nhau trên toàn mảng đối với gió. Tải trọng gió trên các mô-đun ở cuối các hàng thường cao hơn tải trọng gió ở bên trong. Điều này đúng cho cả hệ thống theo dõi và hệ thống nghiêng cố định. [Xem Thiết kế gió SEAOC PV2 mới nhất để tải mảng]
Tải kẹp/bu lông không nên được coi là giống nhau ở mỗi vị trí trên mô-đun. Việc tải một nửa mô-đun thường khá khác so với nửa còn lại. Các ốc vít có thể có thiết kế giống nhau nhưng chúng phải được thiết kế để chịu được tải trọng cao nhất chứ không phải tải trọng trung bình thấp hơn phân bố trên bốn ốc vít.
Các đường ray mô-đun cũng phải có kích thước phù hợp, đặc biệt chú trọng đến các đường ray mô-đun bên ngoài và tải trọng khu vực ở mức đường ray thích hợp của chúng (C trong Hình 1) và với các giả định về tải mô-đun không đồng đều.
3. Thẩm định mô-đun cần xác nhận:
Liệu xếp hạng tải trọng cơ học mặt trước / mặt sau của biểu dữ liệu mô-đun có bao gồm hệ số an toàn thử nghiệm hay không (thường là 1,5). Nếu không, hãy giảm mức tải theo hệ số an toàn thích hợp và xác nhận rằng nhu cầu tải của kết cấu không vượt quá mức tải mới, thấp hơn đó dựa trên góc xếp gió/tuyết của mô-đun (bộ theo dõi) hoặc góc nghiêng lắp đặt (độ nghiêng cố định).
Khung mô-đun được thiết kế để chịu được các lực bổ sung đi kèm với tải không đồng đều đối với góc chứa gió/tuyết (bộ theo dõi) hoặc góc nghiêng lắp đặt (độ nghiêng cố định) của hệ thống.
Phương pháp lắp khớp chính xác với phương pháp lắp chứng nhận mô-đun và được liệt kê trong sổ tay hướng dẫn lắp đặt mô-đun. Nếu không, nhà sản xuất mô-đun phải được yêu cầu đưa ra một lá thư rằng phương pháp lắp đặt không được phê duyệt sẽ duy trì chế độ bảo hành theo các điều kiện của dự án. Việc kiểm tra có thể cần thiết.
Frank Oudheusden là người quản lý của Azimuth Advisory Services, một công ty tư vấn cung cấp dịch vụ tư vấn cho các nhà phát triển quang điện, EPC, nhà quản lý tài sản và công ty giá đỡ hàng đầu trong ngành. Oudheusden gia nhập ngành năng lượng mặt trời vào năm 2008 và trước khi làm tư vấn, ông là kỹ sư nhân viên cấp cao tại SunEdison giúp hướng dẫn việc lựa chọn hệ thống giá đỡ AVL trên toàn cầu và lãnh đạo nhóm thẩm định cho các nhà cung cấp AVL và các hoạt động M&A.
Chris Needham là người quản lý Dịch vụ Tư vấn Azimuth. Needham gia nhập ngành năng lượng mặt trời vào năm 2007 và trước khi làm tư vấn, ông là kỹ sư nhân viên cấp cao tại SunEdison, nơi ông thiết kế và phát triển các cấu trúc bên trong bao gồm bộ theo dõi trục đơn, hệ thống nghiêng cố định, nhà để xe và hệ thống giá đỡ trên mái nhà. Ông chuyên thử nghiệm đường hầm gió của hệ thống PV
